Il collettore solare termico è un particolare tipo di scambiatore di calore, in grado di convertire la radiazione solare in energia termica tramite il riscaldamento del fluido termovettore (aria, acqua o refrigerante), che circola al suo interno.

A differenza dei convenzionali scambiatori di calore, che permettono lo scambio termico tra due fluidi, i collettori solari consentono un trasferimento energetico da una fonte lontana di energia radiante (sole) ad un fluido.

Ciò determina perdite energetiche di tipo sia termico che ottico (Figura 1).

Le prime si distinguono in perdite per:

  • convezione, a causa della convezione naturale all’interno della cavità tra il rivestimento esterno in vetro e l’assorbitore;
  • conduzione, a causa del contatto tra l’assorbitore e il telaio (tra essi è appositamente interposto uno strato di isolamento termico);
  • radiazione, a causa della temperatura dell’assorbitore e la sua emissività termica. Le perdite ottiche (onde corte) sono invece dovute alla riflessione e all’assorbimento del rivestimento vetrato e alla riflessione sull’assorbitore.
Processo di scambio in un collettore solare termico


Figura 1 – Processi di scambio in un collettore solare

I collettori solari termici sono usati principalmente per la produzione di acqua calda sanitaria in quanto possiedono una temperatura media di produzione più bassa rispetto ad altri sistemi di produzione.

Tuttavia possono essere utilizzati anche a servizio degli impianti di riscaldamento e/o raffrescamento. In termini di efficienza, i sistemi solari termici raggiungono livelli fino al 70%, contro un massimo del 17% per i più avanzati impianti fotovoltaici

[1].

Attuali trend di applicazione sul mercato

Il solare termico si colloca tra le tecnologie rinnovabili attualmente sviluppate più efficienti. In termini di capacità installata, risulta infatti, tra i rinnovabili in genere, secondo solo all’eolico (Figura 2).

Capacità operativa annuale dei collettori termici e rendimento energetico

Figura 2 – Global capacity in operation [GWel[, [GWth] 2016 and annual energy yields [TWhel], [TWhth] (Fonti: AEE INTEC, Glocal Wind Energy Council (GWEC), European PV Industry Association (EPIA), REN21 – Global Status Report 2017, IEA SHC – Solar Heat Worldwide 2017)

Si prevede che entro il 2030, il 50% degli impianti termici a media e bassa temperatura saranno alimentati a solare termico [2, 3]. Tuttavia, allo stato attuale, alcuni limiti applicativi riguardano il loro discreto ingombro, l’apparenza scura e irregolare, oltre alla scarsa flessibilità dimensionale.

È stato osservato come la loro integrazione nell’involucro edilizio risulti di fondamentale importanza, sia in termini estetici che di performance, per la più semplice accettazione da parte dell’utenza riguardo non solo la loro installazione, ma anche l’apertura in futuro di nuovi mercati (Figura 3).

“Per una maggiore penetrazione nel mercato è necessario che i sistemi solari termici siano integrati nei componenti edilizi. Ciò aprirebbe possibilità alla loro diffusione in segmenti di mercato nuovi e più ampi. In particolare a livello distrettuale o cittadino”. [3]

Distribuzione di sistema solare termico in base all'applicazione

Figura 3 – Distribution of solar thermal systems by application for the total installed water collector capacity by economic region by the end of 2015 (Fonte: IEA SHC – Solar Heat Worldwide 2017)

Attualmente la potenza mondiale che ricopre la quota maggiore del mercato di impianti solari termici è la Cina con il 71% di capacità installata (Figura 4).

suddivisione della capacità totale di collettori installati in funzione

Figura 4 – Share of the total installed capacity in operation (glazed and unglazed water and air collectors) by economic region in 2015 (Fonte: IEA SHC – Solar Heat Worldwide 2017)

In termini di diffusione delle tipologie di collettori solari, i sistemi a tubi evacuati risultano maggiormente impiegati a livello mondiale, mentre su scala europea si installano per lo più collettori piani (Figure 5 e 6).

Distribuzione della capacità totale dei collettori installati

Figura 5 – Distribution of the total installed capacity in operation by collector type in 2015 – WORLD (Fonte: IEA SHC – Solar Heat Worldwide 2017)

distribuzione dei collettori installati in europa

Figura 6 – Distribution of the total installed capacity in operation by collector type in 2015 – EUROPE (Fonte: IEA SHC – Solar Heat Worldwide 2017)

Tipologie di collettori solari

Esistono diverse tipologie di collettori solari, ciascuna progettata per lavorare entro specifici range di temperatura.

schema delle diverse tipologie di collettori solari

Figura 7 – Tabella riassuntiva delle tipologie di collettori solari

confronto tra diversi tipi di collettori solari termici

Figura 8 – Comparazione in termini di performance e applicazioni delle diverse tipologie di collettori solari (Fonte: http://www.into-solar.co.za/technical.html)

Collettori solari piani

I collettori solari piani rappresentano la tipologia più applicata su scala europea. Essi sono costituiti da:

• Un rivestimento vetrato;
• Una serie di tubazioni in cui scorre il fluido termovettore;
• Una lastra con funzione di assorbitore selettivo;
• Uno strato di isolamento termico posto sotto le tubazioni.

struttura collettore solare piano

Figura 9 – Esempio di collettore solare piano. (Fonte: https://cleantechnica.com/2015/05/04/solar-thermal-panels-heating-cooling/)

Il fluido termovettore circolante nelle tubazioni è spesso acqua, grazie alla sua elevata capacità termica specifica. L’efficienza del sistema dipende dai processi di trasmissione, assorbimento e conduzione di energia solare oltre che dalla conduttività termica del fluido [4].

schema di un tipico collettore solare piano a circolazione naturale

Figura 10 – Vista schematica di un tipico collettore solare piano a circolazione naturale (termosifone)

Collettori solari a tubi evacuati

I collettori solari a tubi evacuati minimizzano le perdite termiche per convezione dovute alla presenza di un fluido (l’aria) tra l’assorbitore e la copertura in vetro, tramite il vuoto. Sono tuttavia piuttosto costosi e possono mostrare problemi legati alla tenuta a vuoto delle tubazioni.

Queste ultime sono realizzate in vetro e presentano al loro interno una ulteriore tubazione concentrica che funge da assorbitore selettivo. I collettori solari a tubi evacuati “water-in-glass” costituiscono la tipologia più applicata grazie all’elevata efficienza termica [1].

principio di funzionamento collettore a tubi evacuati

Figura 11 – Principio di funzionamento di un collettore a tubi evacuati. [5]

I collettori a tubi evacuati possono realizzare lo scambio termico in differenti modi:

Tecnologia “Heat pipe”

Il tubo di vetro evacuato contiene al suo interno un piatto di assorbimento a contatto con una coppia di tubazioni concentriche in rame.

La più interna contiene alcool, che evapora a basse temperature, e risale rapidamente per differenza di densità, raggiungendo il circuito principale e condensando dopo il contatto con il circuito freddo di alimentazione.

Quindi scende nuovamente verso il basso lungo la tubazione di rame più esterna.

collettore heat-pipe

Figura 12 – Tecnologia “Heat pipe” (Fonte: http://www.hauguelenergy.com/ifr2c52-fonctionnement-du-panneau-solaire-tubulaire.htm)

Questa tecnologia presente un’elevata efficienza anche in inverno, quando i livelli di irradiazione sono bassi e la radiazione è principalmente diffusa.

Tecnologia “Sydney”

I collettori di tipo Sydney si compongono di due tubi di vetro concentrici tra i quali è stato imposto il vuoto. La tubazione interna è rivestita da un layer metallico deputato al trasferimento di calore al fluido termovettore, che scorre all’interno di due tubazioni metalliche.

Un riflettore parabolico (CPC – Compound Parabolic Concentrator) è inoltre posto dietro le tubazioni per ridurre le perdite ottiche.

collettore sydney

Figura 13 – Tecnologia “Sydney”. (Fonti: sinistra – http://www.into-solar.co.za/technical.html; destra – http://www.sydneysolar.de/produkte/kollektor/konst01.htm)

Collettori ad aria

Nella maggior parte delle tecnologie di solare termico, il fluido termovettore è l’acqua (con eventuali additivi antigelo). Alcune tipologie di collettori, invece, realizzano lo scambio termico tra la radiazione solare e l’aria.

Questi ultimi sono in grado di riscaldare l’acqua del circuito secondario dell’impianto fino ad un range di temperatura compreso tra 20 e 40 °C, sufficiente per ventilare e deumidificare gli ambienti interni degli edifici.

Essi sono esteticamente simili ai collettori piani, essendo composti da un piatto di assorbimento piano, talvolta alettato per un maggior rendimento, una copertura trasparente e uno strato di isolamento termico.

Dai collettori piani differiscono in quanto il fluido termovettore (l’aria) scorre direttamente nella cavità tra l’assorbitore e la copertura vetrata.

Per tale ragione, i collettori ad aria non necessitano di uno scambiatore di calore e un serbatoio di accumulo, in quanto l’aria, direttamente riscaldata dalla radiazione solare, raggiunge direttamente l’utenza. Tali sistemi necessitano in aggiunta dei ventilatori meccanici.

schema di un collettore ad aria

Figura 14 – Collettori ad aria. (Fonte: http://solartribune.com/solar-hot-air-panels/)

I collettori ad aria hanno un basso costo, non presentano problemi legati all’alta pressione del fluido o al suo congelamento.

Tuttavia riscontrano una minor efficienza dovuta alla minor densità, capacità termica volumetrica e conduttività termica dell’aria rispetto all’acqua. Infatti i coefficienti di scambio termico convettivo dall’energia solare all’acqua sono molto bassi.

Per tali ragioni, è necessaria l’installazione di grandi superfici di collettori ad aria, determinando un incremento addizionale del costo e ingombri considerevoli. Tuttavia una maggiore efficienza di conversione solare risulta possibile con elevati valori di portata e basse temperature d’utenza [1].

collettore ad aria su casa

Figura 15 – Diagramma schematico di un collettore ad aria applicato su una casa unifamiliare. (Fonte: http://www.solarvest.dk/)

Collettori a concentrazione

I collettori a concentrazione solare rappresentano l’evoluzione tecnologica dell’idea di Archimede di Siracusa di focalizzare la radiazione solare in un punto (dove sono localizzate le tubazioni con il fluido termovettore), riflettendola su uno specchio parabolico.

Essi sono quindi utilizzati in applicazioni che richiedono fluido ad alte temperature, grazie alla loro aumentata efficienza. Esistono diverse tipologie di collettori a concentrazione, a seconda della localizzazione del punto focale.

Nei sistemi a torre, il ricevitore centrale è collocato alla sommità della struttura, e risulta quindi indipendente dagli specchi parabolici riflettenti.

Altre tecnologie prevedono invece che il punto focale, e quindi le tubazioni con il fluido termovettore, siano assemblate direttamente insieme agli specchi riflettenti. In questo caso, gli specchi sono disposti in serie, al fine di incrementare la circolazione naturale del fluido termovettore.

collettori a concentrazione con sistema a tipo lineare, colletori a sistema Fresnel, collettori solari a concentrazione sistema a torre centrale

Figura 16 – Da sinistra: Collettori solari a concentrazione di tipo lineare. (Fonte: http://www.ircispa.com/solare-termico-a-concentrazione/); Collettori solari a concentrazione: sistema Fresnel. (Fonte: http://www.ircispa.com/solare-termico-a-concentrazione/); Collettori solari a concentrazione: sistema a torre centrale. (Fonte: http://www.ecoo.it/articolo/energia-solare-il-sahara-consentira-di-ridurre-l-import-di-gas-dalla-russia/8159/)

 

Bibliografia[1] Buker M. S., Riffat S. B., 2015, Building integrated solar thermal collectors – A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 51, 327–346Buker et al., 2015[2] ESTTP European Solar Thermal Technology Platform, 2009, Solar Heating and Cooling for a Sustainable Energy Future in Europe. European Solar Thermal Technology Platform[3] Zhang X., Shen J., Hong Z., Wang L., Yang T., 2015a, A Review of Building Integrated Solar Thermal (BIST) Technologies and their Applications. J Fundam Renewable Energy Appl 5:182[4] Jaisankar S., Ananth J., Jayasuthakar S.T., Sheeba K.N., 2011, A comprehensive review on solar water heaters, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, 3045–3050[5] Budihardjo I., Morrison G.L., 2009, Performance of water-in-glass evacuated tube solar water heaters. Sol Energy 83:49–56

Energie alternative: i collettori solari termici
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